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mcgs组态软件开发水位控制系统


摘 要
计算机技术和网络技术的飞速发展,为工业自动化开辟了广阔的发展空间,用户 可以方便快捷地组建优质高效的监控系统,并且通过采用远程监控及诊断、双机 热备等先进技术,使系统更加安全可靠,在这方面,MCGS 工控组态软件将为您 提供强有力的软件支持。 组态技术是计算机控制技术综合发展的结果,是技术成熟化的标志。由于组 态技术的介入,计算机控制系统的应用速度大大加快了。采

用组态控制技术的计 算机控制系统最大的特点是从硬件设计到软件开发都具有组态性, 因此系统的可 靠性和开发速度提高了,开发难度却下降了。随着国内工业生产技术的进步以及 自动化技术的发展,人们对自动化监控系统的需求越来越大,要求越来越高。 一方 面要求界面简单明了、宜于操作、数据采集实时性好以及高可靠监控性,同时还 要求开发周期短,系统便于更改、扩充、升级。工控组态软件正是符合这些要求 而在工业领域得到广泛应用。本文对组态技术进行了一些研究,对其发展概况进 行了比较全面的了解。利用组态软件对双储液罐水位控制系统进行监控系统设 计。 关键词: 组态软件;双储液罐水位控制;监控系统

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摘 要 前 言 第一章



双储液罐水位控制系统控制方案

1.1 采用组态软件控制方案 1.2 组态软件简介 1.3 组态软件的系统构成及其简介 1.3.1. 结构以使用软件的工作阶段划分

第二章

基于 MCGS 组态软件开发水位控制系统简介

2.1 MCGS 5.1 概述 2.1.1 特点及组成 2.1.2 运用 MCGS 5.1 建立运行程序的一般过程 2.2 水箱水位控制系统的设备组成 2.2.1 属性设置 2.2.2 设备调试 2.3 采用 MCGS 开发双储液罐水位控制系统结语

第三章

双储液罐水位控制系统硬件组成及设备的选择

3.1 水箱对象 3.1.1.水箱 3.1.2. 水泵 3.1.3 调节阀 3.1.4 出水阀
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3.2 水位检测与控制设备 3.2.1 水位传感器 3.2.2 配电器 3.2.3 稳压电源 3.2.4 接触器 3.3 计算机

第四章

基于 MCGS 组态软件开发水位控制系统的设计

4.1 建立工程 4.2 定义变量 4.2.1 变量分配 4.2.2 变量定义步骤 4.3 画面的设计和编辑 4.3.1 建立画面 4.3.2 编辑画面 4.3.3 动画连接 4.4 水位对象的控制 4.4.1 水罐对象特征 4.4.2 控制程序编写 4.5 报警显示 4.5.1 组对象的定义 4.5.2 报警属性的定义 4.5.3 实时报警
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4.5.4 历史报警 4.5.5 报警极限值的修改 4.5.6 报警提示 4.6 曲线显示 4.6.1 实时曲线 4.6.2 历史曲线 4.7 PLC 电路连接图与控制程序 4.7.1 S7-200PLC 程序 4.7.2 储液罐监控系统 I/O 分配表 4.7.3 储液罐监控系统接线图 4.7.4 S7-200 PLC 控制程序的调试

第五章

程序调试运行

5.1 模拟调试 5.2 在线调试

总结 参考文献 致谢

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前言
随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用,人们对工业自 动化的要求越来越高,种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用, 使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。 在开发传统的工业控制软 件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致其开 发周期长; 已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率 很低,导致它的价格非常昂贵;在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编程人 员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改,因而更是 相当困难。 通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种 崭新的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使用户 能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工程。 组态控制技术作为计算机控制技术发展的产物, 其先进性和实用性已经被工业现 场的广大技术人员认可并得到广泛应用。组态软件适用于许多工业领域,因为其 功能强大而倍受青睐。 一.本论文研究的背景双储液罐水位控制系统介绍被控对象由上、下两个储液罐 组成,上、下水位和温度分辨经 2 个压力变送器和温度变送器检测后。通过安装 在出水管网上的远传压力传感器将压力信号转化为 4-20mA 的标准信号送入 PLC, 经 PID 运算与给定压力参数进行比较,得出调节参数,送给变频器,由变频器控 制水泵转速,调节系统供水量,使系统的供水管网压力保持在给定压力上;当用 水量超过一台泵的供水量时,通过 PLC 控制器加泵。根据用户用水量的大小来控 制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速, 实现恒压供水。 当供水负载变化时, 输入电机的电压和频率也随之变化, 这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控 制系统。 二.组态软件的介绍 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们 是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,使用灵活的组态方式,为 用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软 件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议, 并且通常应提供分布式数据管理 和网络功能。组态(configuration)意思就是模块的任意组合,采用组态技术 构成的计算机系统在硬件设计上,除采用工业 PC 机外,系统大量采用各种成熟 通用的 I/O 接口设备和现场设备,基本不再需要单独进行具体电路设计。这不仅 节约了硬件开发时间,更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟 的工控开发的工具软件,它为用户提供了多种通用工具模块,用户不需要掌握太 多的编程语言技术(甚至不需要编程技术) ,就能很好地完成一个复杂工程所要 求的所有功能。 工控组态软件集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、 控制技术、网络与通信技术,使控制系统开发人员不必依靠某种具体的计算机语 言,只需通过可视化的组态方式,就可完成监控程序设计,降低了监控程序开发 的难度。组态软件均具有良好的扩展性、兼容性,软件结构开放,可接受各种形 式的数据格式。同时,支持的硬件类型也十分广泛[1]。工控组态软件的出现, 使得大型工业控制系统的组态编程变得十分得简单、容易,工程设计人员不用再 设计那些复杂的应用程序(如 I/O driver 等) 。工控组态软件的功能包括数据库 生成、历史库生成、图形生成、报表生成、顺序控制功能、连续调节功能。目前 有许多工控组态软件。

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第一章

双储液罐水位控制系统控制方案
1.1 采用组态软件控制方案

在工业生产中,大多数过程是非线性的。对于非线性程度不高的过程,可以 当作线性过程处理。要控制好极端非线性过程,则相当困难。在《过程控制》教 学中,对三个相互连通的不规则形状水箱水位进行测控处理并分析,就属于极端 非线性控制。该系统传统的开发手段是采用单片机等控制设备设计,但如果采用 组态软件开发该系统则可以实现多次开发、适时采集监控等功能。该测控系统主 要有两种设计途径:一是采用 VB、VC 等可视化工具从低层开发; 二是利用工控 组态软件进行二次开发。但由于 VB、VC 开发难度大,开发周期长, 因此大多工 程项目的开发都采用工控组态软件来实现。

1.2 组态软件简介
随着工业自动化水平的迅速提高,计算机在工业领域的广泛应用, 人们对工 业自动化的要求越来越高, 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用,使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控 制软件时,当工业被控对象一旦有变动,就必须修改其控制系统的源程序,导致 其开发周期长; 已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使 用率很低,导致它的价格非常昂贵;在修改工控软件的源程序时,倘若原来的编 程人员因工作变动而离去时,则必须同其他人员或新手进行源程序的修改,因而 更是相当困难。 通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了 一种崭新的方法,因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题,使 用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态,完成最终的自动化控制工 程。 在使用工控软件中, 我们经常提到组态一词, 组态英文是“Configuration”, 其意义究竟是什么呢?简单的讲,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完 成工程中某一具体任务的过程。 ??与硬件生产相对照,组态与组装类似。如要组装一台电脑,事先提供了各种 型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等,我们的工作就是用这 些部件拼凑成自己需要的电脑。 当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥 空间,因为它一般要比硬件中的“部件”更多,而且每个 “部件” 都很灵活, 因为软部件都有内部属性,通过改变属性可以改变其规格(如大小、性状、颜色 等)。 组态(Configuration)为模块化任意组合。通用组态软件主要特点有(1) 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序,当现场(包括硬件设备或 系统结构)或用户需求发生改变时,不需作很多修改而方便地完成软件的更新和 升级; (2)封装性(易学易用) ,通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用 户使用的方法包装起来,对于用户,不需掌握太多的编程语言技术(甚至不需要 编程技术) ,就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能; (3)通用性,每 个用户根据工程实际情况,利用通用组态软件提供的底层设备(PLC、智能仪表、
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智能模块、板卡、变频器等)的 I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具, 就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体 功能和网络功能的工程,不受行业限制。 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概 念最早出现在工业计算机控制中。如 DCS(集散控制系统)组态,PLC(可编程控 制器)梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。其实在其他行业也有 组态的概 念, 人们只 是不这 么叫而 已。如 AutoCAD,PhotoShop,办 公软件 (PowerPoint)都存在相似的操作,即用软件提供的工具来形成自己的作品,并以 数据文件保存作品,而不是执行程序。组态形成的数据只有其制造工具或其他专 用工具才能识别。但是不同之处在于,工业控制中形成的组态结果是用在实时监 控的。组态工具的解释引擎,要根据这些组态结果实时运行。从表面上看,组态 工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 最早开发的通用组态软件是 DOS 环境下的组态软件, 其特点是具有简单的人 机界面 (MMI) 图库、 、 绘图工具箱等基本功能。 随着 Windows 的广泛应用, Windows 环境下的组态软件成为主流。与 DOS 环境下的组态软件成为主流。与 DOS 环境下 的组态软件相比,其最突出的特点是图形功能有了很大的增强。国外许多优秀通 用组态软件是在英文状态下开发的,它具有应用时间长、用户界面不理想、不支 持或不免费支持国内普遍使用的硬件设备、 组态软件本身费用和组态软件培训费 用高昂等因素,这些也正是国内通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。随着 国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高, 通用组态软件的市场需求日益增 大。近年来,一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用 组态软件。

1.3 组态软件的系统构成及其简介
在组态软件中,通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据唯 一的物理空间(逻辑空间) ,可以用唯一的一个名称来标识,就被称为一个应用 程序。在同一计算机中可以存储多个应用程序,组态软件通过应用程序的名称来 访问其组态内容, 打开其组态内容进行修改或将其应用程序装入计算机内存投入 实时运行。 组态软件的结构划分有多种标准, 这里以使用软件的工作阶段和软件体系的 成员构成两种标准讨论其体系结构。

1.3.1.结构以使用软件的工作阶段划分:
也可以说是按照系统环境划分, 从总体上讲, 组态软件是由两大部分构成的: 系统开发环境:是自动化工程设计工程师为实施其控制方案,在组态软件的 支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。 通过建立一系列用 户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。 系统开发环境由若干个组态程序组成,如图形界面组态程序、实时数据库组 态程序等。 系统运行环境:在系统运行环境下,目标应用程序被装入计算机内存并投入 实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成,如图形界面运行程序、实时数 据库运行程序等。组态软件支持在线组态技术,即在不退出系统运行环境的情况
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下可以直接进入组态环境并修改组态,使修改后的组态直接生效。 自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境, 通过一定工作量的 系统组态和调试,最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行,完成一个 工程项目。

第二章

基于 MCGS 组态软件开发水位控制系统简介

在工业生产中,大多数过程是非线性的。对于非线性程度不高的过程,可以 当作线性过程处理。要控制好极端非线性过程,则相当困难。在《过程控制》教 学中,对三个相互连通的不规则形状水箱水位进行测控处理并分析,就属于极端 非线性控制。该系统传统的开发手段是采用单片机等控制设备设计,但如果采用 组态软件开发该系统则可以实现多次开发、适时采集监控等功能。该测控系统主 要有两种设计途径:一是采用 VB、VC 等可视化工具从低层开发; 二是利用工控 组态软件进行二次开发。但由于 VB、VC 开发难度大,开发周期长, 因此大多工 程项目的开发都采用工控组态软件来实现。组态软件国外有美国的 FIX 系列产 品,澳大利亚的 WIZCON,国内有组态王、MCGS、世纪星、开物等。国内软件开 发比较晚,但吸取了其他组态软件的优点。采用了最先进的设计理念,所以可以 与国外的组态软件相媲美,同时在价格上是国外软件的 1/3~1/8。其中北京 昆仑公司的 MCGS 就是重要的组态软件之一,该软件曾开发上海东方明珠电视塔 消防控制系统、北京西客站灯光电源控制系统、北京中央电视台消防供水系统等 著名工程。

2.1 MCGS 5.1 概述
2.1.1 特点及组成
MCGS 5.1(Monitor and Control Generated System) 是一套基于 Windows 平台的,用于快 速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统,可运行于 Microsoft Windows 95/98/Me /NT/2000 等操作系统。MCGS 提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台,能够完 成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线 和报表输出以及企业监控网络等功能。 MCGS 5.1 软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工 具软件, 帮助用户设计和构造自己的应用系统。 运行环境则按照组态环境中构造的组态工程, 以用户指定的方式运行,并进行各种处理,完成用户组态设计的目标和功能。两部分互相独 立, 又紧密相关,如图 1 所示。

图 1 MCGS 软件系统结构图

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2.1.2 运用 MCGS 5.1 建立运行程序的一般过程
(1) 启动 McGs 组态环境,建立工程项目。 (2) 进行设备配置。设备配置的目的是实现上下位机通讯,即实现计算机与 智能仪表之间的连接。通过设备窗口配置数据采集与控制输出设备,注册设备驱 动程序,定义连接与驱动设备用的数据变量。 (3) 构造数据库。在实时数据库窗口建立新的数据库文件。要求与设备要求 的数据库一致。该窗口定义不同类型和名称的变量,作为数据采集、处理、输出 控制、动画连接及设备驱动的对象。 (4) 制作图形画面, 在用户窗口实现。 主要用于设置工程中人机交互的界面, 诸如:生成水位变化的动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 (5) 在主控窗口建立新工程。 主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户 窗口,负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括:定义工程 的名称, 编制工程菜单,设计封面图形,确定自动启动的窗口,设定动画刷新 周期,指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 (6) 定义动画链接。动画链接是将动画与数据库变量建立联系, 当数据库 变量发生改变时动画就可以表现出来。即当水箱中水位发生变化时,动画可以适 时显示。 (7) 运行与调试。当以上步骤完成以后,先进行组态检查通过后就可以进入 运行环境调试。

2.2 水箱水位控制系统的设备组成
双储液罐水位控制系统由上位机和智能调节仪两部分组成。上位机由四个画 面组成。实时数据采集,历史数据记录,运行动画,通讯状态组成。MCGS 通过 设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱 动程序是 DLL(动态连接库)文件,设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的 处理程序,将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。 MCGS 负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序,将数据传送到工程中的 各个部分。完成整个系统的通讯过程,设备关系如图 2 所示。 下位机由宇光 AI-808 智能仪表构成,实现对水位数据的采集和控制。宇光 一智能仪表是利用 RS232/RS485 和上位机进行通讯的人工智能工业调节器,该 设备构件用于 MCGS 操作和通过串行 I=I 读写仪表的数据。根据实际应用的需要 来正确设置仪表的各项参数,也可通过本构件的设备命令设置仪表的部分参数。

图 2 上下位机组成结构图
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2.2.1 属性设置
要使 MCGS 能正确操作宇光——智能仪表,先设置该构件的属性 : (1) 仪表的地址,必须和仪表 Addr 参数设置一致。 (2) 用于设置仪表的输入范围。 (3) 设置仪表的 SV 值方式,不设置 SV 值表示只读 SV 值,自动设置 SV 值表 示写 SV。 (4) 设置仪表的 OP 值方式,不设置 OP 值表示只读 OP 值,自动设置 OP 值表 示写 OP。 (5)设置数据的小数点位置,必须和宇光仪表的小数点位置参数一致, 因字 光仪表在通讯过程中传递的数据不带小数点, 上位机通过此参数设置值来确定数 据的大小。

2.2.2 设备调试
设备调试在“设备调试”属性页中进行, 以检查和测试模块是否正常工作。在进行调试前, 要先接好模块电源和串行通讯线,把模块地址、波特率和各种参数设置正确、Addr 参数必 须和模块地址一致, 串口号、波特率、数据位位数、停止位位数、校验方式必须和父设备 的设置一致, 打开主机即可调试。(注意:对通讯状态通道调试时, 通道值一列显示设备 通讯状态,0 表示通讯成功,1 表示通讯失败。对模拟量输入通道调试时,通道值一列显示 模拟量输入通道的实际测量值。对模拟量输出通道调试时,通道值一列输入要输出的值。)

第三章 双储液罐水位控制系统的硬件组成及 设备的选择
3.1 水箱对象
对象由水罐、水泵、调节阀、出水阀几部分组成。

3.1.1.水箱
水箱是储藏水的容器,假定水箱 1 高 10m,上限为 9m,下限为 1m;水箱 2 高 7m,上限 6m,下限 1m。

3.1.2. 水泵
水箱里面的水是靠水泵从水源抽水而来的。水泵采用单相泵(带电容) ,正常 时额定电压为 220V(电源电压不得低于 10%,一面烧毁电机)

3.1.3 调节阀
采用 ZAZP 电动阀,ZAZP 电动精小型单座、套筒调节阀是 DKZ 型电动单元组合仪 表中的执行单元,它是生产过程自动调节系统中的重要环节之一。它以电源为动 力接受统一的标准信号 0~10mA 或 4~20mA.DC,将此转为与输入信号相对应的
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上下位移,自动地操纵阀门,改变阀门的开启程度,从而达到对工业介质流量、 压力、温度和液位等参数的自动调节。因而广泛应用于化工、石油、冶金、电站 和轻纺等工业生产过程的自动调节和远程控制。 本系列产品有标准型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等 级有 PN1.6、4.0、6.4MPa;公称通径范围 DN20~400。

3.1.4 出水阀
采用 ANSI Class 150~2500Lb 出水阀,工作温度≤600℃的石油、化工、火力电 站等各种工况的管路上,切断或接通介质。适用介质为:水、油品、蒸汽等。操 作方式有:手动、齿轮传动、电动、气动等。

3.2 水位检测与控制设备
3.2.1 水位传感器
为了监控水箱的水位,必须依靠一定的检测设备第微毫 水箱水位这个重要参 数进行 检测。 在这 里选 用 ST-2001GP4BM1B2 型 扩散 硅压 力传感 器, 量程为 29.4kPa,当水位为 3m,输出电流为 20mA,当水位为 0m 时,输出电流为 4mA。

3.2.2.配电器
配电器的作用是为水位传感器提供 24V 电源, 同时将水位传感器与计算机接口 进行了电气隔离,提高了系统的可靠性,配电器的型号为 DFP-2100。

3.2.3 稳压电源
稳压电源为配电器、水位传感器、智能模块、接触器提供 24V 工作电源。稳压 电源的型号为 DFY-3110,最大输出电流为 10A。

3.2.4 接触器
由于 PLC 的输出触点容量较小(电流小于 2A) ,一般不能用于直接控制交大功 率的电气设备, 故需要外加接触器, 以便能够对水泵进行控制。 这里选用 CZ18-40 型直流接触器,其触头额定电压为 440V,额定电流为 40A,吸引线圈电压为 24V。

3.3 计算机
工业控制计算机(IPC)及配套的显示器、打印机等。MCGS 组态软件, 导线、万用表、螺丝刀等工具。

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第四章 基于 MCGS 组态软件开发水位控制系统的设计
4.1 建立工程
(1)开机后,首先双击桌面 MCGS 组态环境图标,进入组态环境,出现图 4.1 所示画面。屏幕中间为工作台。 (2)单击文件采单,弹出下拉采单,单击新建工程,如图 4.2 所示。

图 4.1 MCGS 组态环境

图 4.2

新建工程

(3)单击文件采单,弹出下拉采单,单击工程另存为,弹出文件保存窗口,如 图 4.3 所示。

图 4.3 保存窗口 (4)在文件名一栏内输入工程名双储液罐水位控制系统,单击保存按钮,工程 建立完毕。

4.2 定义变量
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4.2.1 变量分配
变量定义即数据对象定义前需要对系统进行分析,确定需要的变量。本系统至少 有 9 个变量,见表 4.4

变量名 H1 H2 罐 2 进水阀 罐 2 出水阀 水泵

类型 数值型 数值型 开关型 开关型 开关型

初值 注释 0 输入信号,0~10m,1~5V,ADS0/AIW0 0 输入信号,0~7m,1~5V,ADS1/AIW2 0 输出信号,=1,接通,DO2/Q0.1 0 输出信号,=1,接通,DO4/Q0.2 0 输出信号,=1,接通,DO0/Q0.0 表 4.4 变量分配表

4.2.2 变量定义步骤
(1)单击工作台中的实时数据库选项卡,进入实时数据库窗口页,如图 4.5 所 示。 窗口中列出了系统已有的变量名称。 其中一部分为系统内不建立的数据对象。 讲表 4.4 中定义的数据对象添加进去。

图 4.5 实时数据库 (2)单击工作台右侧新增对象按钮,在数据对象列表中立即出现了一个新的数 据对象。如图 4.6 所示。

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图 4.6 新增数据对象 (3)选中该数据对象,单击右侧对象属性按钮或直接双击该数据对象,弹出数 据对象属性窗口,如图 4.7 所示。

图 4.7 数据对象属性设置窗口 (4)将对象名称改为:H1;对象初值改为:0;对象类型改为:数值型;对象内 容注释栏填入输入信号,0~10m,1~5V,ADS0/AIW0。 (5)单击确定按钮。 (6)重复 2~5,定义其他 7 个数据对象,对象初值应设为无效状态。 (7)单击保存按钮。

4.3 画面的设计和编辑
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4.3.1 建立画面
(1)单击屏幕左上角的工作台图标,弹出“工作台”窗口。 (2)单击“用户窗口”选项卡,进入“用户窗口”页。 (3)单击右侧“新建窗口”按钮“窗口 0”图标,如图 4.14 所示。

图 4.14 新建用户窗口 (4)单击“窗口属性”按钮,弹出“用户属性设置”窗口,如图 4.15 所示。

图 4.15 设置用户窗口的属性
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(5)在“基本属性”页的“窗口名称”栏内填入“水位监控”“窗口位置“选 , 最大化显示” ,其他不变。单击“确定”按钮,关闭窗口。 (6)观察“工作台”的“用户窗口”“窗口 0”图标已变为“水位监控” , ,如图 4.16 所示。选中“水位监控” ,单击右键,弹出下拉采单,选中“设置为启动窗 口” ,当 MCGS 运行时,将自动加载该窗口。 (7)单击“保存”按钮。

图 4.16 设置后的用户窗口图标

4.3.2 编辑画面
(1)进入画面编辑环境。 (2)利用“标签” (文字)工具写入文字“储液罐水位监控系统” ,调整大小及 位置。 (3)利用“插入元件”工具从“储存罐”中选择罐 17,画罐 1,调整大小及位 置。 (4)利用“插入元件”工具从“储存罐”中选择罐 53,画罐 2,调整大小及位 置。 (5)利用“插入元件”工具从“泵”中选择水泵 40,画水泵,调整大小及位置。 (6)利用“插入元件”工具从“阀门“中选择阀 44 和阀 58,画 2 个阀,调整 大小和位置。 (7)利用“流动块”工具在水泵、罐 1、罐 2 进水阀、罐 2、罐 2 出水阀之间画 流动块。 (8)利用“文字”工具写入“罐 1”“罐 2”“水泵”“罐 2 进水阀”“罐 2 、 、 、 、 出水阀” ,对画面进行注释。 (9)保存。 画完后如图 4.17 所示:

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图 4.17 储液罐水位监控系统画面图

4.3.3 动画连接
(1)液位的模拟输入: a.进入水位监控窗口。 b.选中“工具箱”中的“滑动输入器”图标,鼠标呈“十”字形,在罐 2 的右边 按住左键拖动出一个滑动块。 c.参考图 4.17 调整位置及大小。 d.双击滑动块,弹出属性设置窗口。按照如下参数进行设置: ● 在“基本属性”页中,滑块指向:指向左(上) 。 ● 在“刻度与标注属性”页中,主划线数目:5。 ● 在“操作属性”页中,对应数据对象名称:液位 1;滑块最右(下)边时对 应值:10。 ● 其他不变。 e.在制作好的滑动块右变写文字标签“H1 输入” 。 f.用同样的方法制作 H2 的滑动块和标签,注意“操作属性”页中,对应数据对 象名称:H2;滑块最右(下)边时对应值:7。 (2)液位实时显示动画效果的制作: a.利用“标签”工具在罐 1 旁边写如文字“####,调整大小及位置。 b.双击文字“####” ,弹出“属性设置”对话框。 c.在“基本属性”页选择“显示输出” 。 d.在“显示输出”页设置表达式 1:H1;输出值类型:数值量输出;小数位数: 1,其余不变。这样设置后,系统运行时,文字“####”将显示液位 1 的实际值。 e.用同样的方法在罐 2 旁写入文字“####,与液位 2 显示进行显示动画连接。
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f.存盘,进入运行环境。发现两个文字标签都显示 0。 g.将光标移至液位 1 滑动输入的指针处, 光标变成手形, 按住鼠标想右拖动指针, 液位显示随之发生变化。用这种方法可以人为模拟液位变化。 (3)液位升降动画效果制作 a.在水位监控画面中双击罐 1, 弹出属性设置窗口, “动画连接” 进入 页如图 4.18 所示。

图 4.18 对水罐进行动画连接 b.选中“折线” ,右端出现的〉 。 c.单击〉进入属性设置窗口。在“大小变化”页按图 4.19 进行属性设置。

图 4.19 缩放连接
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d.单击“确认”按钮,完成罐 1 设置。 e.用同样的方法建立罐 2 与液位 2 之间的动画连接。 注意设置参数, 表达式: H2;最大变化百分比对应表达式的值:7。 f.单击“保存”按钮。 g.进入允许环境,拖动液位滑动器指针,可观察到水罐水位的升降变化的动 画效果。 (4)水泵、阀门的启停效果: a.双击水泵,弹出“单元属性设置”窗口。 b.单击“动画连接”选项卡,进入该页。如图 4.20 所式。在“图元名”列, 出现 3 个矩形,两个连接类型为“按钮输入” ,两个为“可见度” 。它们实 际上是水泵上的两个小矩形,一个红色,一个绿色,但在组态环境,只能 看见一个红色的。这两个矩形每个都进行按钮动做连接和可见度连接。

图 4.20 对水泵进行动画连接 c.选中第一个“矩形”右端出现“?”和“〉 ”按钮。 d.单击“〉 ”按钮,弹出“动画组态属性设置”窗口。 e.在“属性设置”页若观察到“填充颜色”为红色,则: ●在“按钮动作”页,选中“数值对象操作” ;并填如:取反、水泵。 ●在“可见度”页,将表达式设置为:水泵;当表达式非零是,对应图符不 可见。 g.单击“确认”按钮。 h.用同样方法设置其余 2 个矩形。 i.单击“确认”按钮,结束水泵启停效果的动画连接。
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j.单击“保存”按钮。 k.进入运行环境,水泵中间的矩形为红色,表明水泵没开(初值为 0) 。 l.将光标移至矩形处,光标变成“手”形,单击鼠标,变为绿色,表明水泵 工作。 罐 2 进水阀启停效果的设置类似。只需做如下设置: 绿色: ● 在“按钮动作”页,将数据对象设置为:取反、罐 2 进水阀。 ● 在“可见度”页,将表达式设置为:罐 2 进水阀=1,可见。 红色: ● 在“按钮动作”页,将数据对象设置为:取反、罐 2 进水阀。 ● 在“可见度”页,将表达式设置为:罐 2 进水阀=0,可见。 ● 存盘,进入运行环境调试。 罐 2 出水阀启停效果类似。只需做如下设置: 绿色图符: ● 在“属性设置”页选中“按钮动作” ,增加一个动画效果。 ● 在“按钮动作”页将数据对象设置为:取反、罐 2 出水阀。 ● 在“可见度”页,将表达式分别设置为:罐 2 出水阀=1,可见。 红色图符: ● 在“属性设置”页选中“按钮动作” ,增加一个动画效果。 ● 在“按钮动作”页将数据对象设置为:取反、罐 2 出水阀。 ● 在“可见度”页,将表达式分别设置为:罐 2 出水阀=0,可见。 ● 存盘,进入运行环境调试。

4.4 水位对象的控制
4.4.1 水罐对象特征
水泵打开时,H1 每 200ms 上升 0.1; 罐 2 进水阀打开时,H1 每 200ms 下降 0.05m、H2 每 200ms 上升 0.07m; 罐 2 出水阀打开时,H2 每 200ms 下降 0.03m。

4.4.2 控制程序编写
(1)进入运行策略窗口。 (2)选中循环策略,单击鼠标右键,进行属性设置,设置循环策略执行时间是 200ms。 (3)双击循环策略,进行循环策略组态。 (4)单击新增策略行按钮,增加一条策略。 (5)在策略工具箱选择脚本程序,添加到策略行。 (6)双击脚本程序,写如下列程序。 IF 水泵=1 THEN
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H1=H1+0.1 ENDIF IF 罐 2 进水阀=1 THEN H1=H1-0.05 H2=H2+0.07 ENDIF IF 罐 2 出水阀=1 THEN H2=H2-0.03 ENDIF 进入运行环境,在画面中操作水泵、罐 2 进水阀、罐 2 出水阀,观察水位随操作 的变化。

4.5 报警显示
实际运行时,可能会发生参数越极情况。报警显示是最基本的安全手段。实时报 警可提示操作人员进行及时处理,避免事故发生。历史报警能对指定时间内的所 有参数越限情况进行记录、显示和打印,以便对系统运行情况进行分析。特别是 在事故发生后,这种分析对于调查事故发生的原因很重要,本系统需设置报警的 数据对象包括:H1、H2。

4.5.1 组对象的定义
(1)进入实时数据库,单击“新增对象“按钮,增加一个新对象。 (2)双击该对象,弹出属性设置窗口。 (3)在对象“基本属性“设置页设置对象名:液位组,类型:组对象。 (4)单击“组对象成“选项卡,进入”组对象成员:页 (5)在左边数据对象列表中选择“液位 1” ,单击增加按钮,数据对象“H1”被 添加到右边的组对象成员中,按照同样的方法将“H2”添加到组对象成员中去。 (6)单击“存盘属性”标签,在“数据对象值的存盘”选择:定时存盘,并将 存盘周期设为:5s。 (7)单击“确认”按钮,组对象设置完毕。

4.5.2 报警属性的定义
(1)进入实时数据库,双击数据对象“H1” 。 (2)选中“报警属性”标签。 (3)选中“允许进行报警处理”报警设置被就激活。 (4)将报警设置中的“下限报警” ,报警值设为:1;报警注释: “罐 1 水位低于 下限”。 (5)选中“上限报警“,报警值设为:9;报警注释输入: ”灌 1 的水位高于上 限” 。 (6)单击“存盘属性”选项卡,选中报警数据的存盘中的“自动保存产生的报 警信息“。 (7)单击“确认”按钮“H1”报警设置完毕。 (8)同理设置“H2”的报警属性。
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4.5.3 实时报警
(1)双击“用户窗口”中的“水位监控”窗口,进入该画面。选取“工具箱” 中的“报警显示”构件。鼠标呈“十”字行后,在画面下方,拖动鼠标至适当大 小画出报警窗口,入图 4.21 所示。

图 4.21 报警窗口 (2)双击报警窗口,弹出属性设置窗口,4.22 所示。

图 4.22 报警窗口属性设置 (3)在“基本属性”页中,将对应的数据对象的名称设为:液位组;最大记录 次数设为:6。 (4)单击“确认“按钮。 (5)进入运行环境,操作 H1 和 H2 改变液位,观察报警窗口内容是否正确。

4.5.4 历史报警
前面介绍了设计报警窗口最大记录次数为 6 次, 因此报警窗口只显示当前 6 条报 警信息。历史报警功能能使系统可以显示指定时间段的所有报警信息。前面对数 据对象进行报警定义时,已经选择了报警产生时“自动保存产生的报警信息” , 在利用“报警信息浏览”构件,就可对数据库中保存下来的报警信息进行浏览。 具体操作如下: (1) 新增一用户策略,名为报警数据。
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a. 在“运行策略”窗口中,单击“新建策略”按钮,弹出“选择策略的类型” 对话框。 b. 选中“用户策略” ,单击“确定”按钮。 c. 选中“策略 1” ,单击“策略属性”按钮,弹出“策略属性设置”窗口。在 策略名称输入框中输入:报警数据:策略内容注释输入框中输入:水罐的报 警数据,如图 4.23 所示,单击“确认”按钮。

图 4.23 策略属性设置 d.双击“报警数据”策略,进入策略组态窗口。 e.单击工具条中的“新增策略行”图标,新增加一个策略行。 f.从“策略工具箱”中选取“报警信息浏览” ,加到策略行上。 g.双击“报警信息浏览”图标,弹出“报警信息浏览构件属性设置”窗口。 h.进入基本属性页,将“报警信息来源”中的“对应数据对象”改为:液位组。 单击“确定”按钮。 (2)新增一菜单项,名为报警数据,并建立“报警数据”菜单和策略之间的关 系。 a. MCGS 工作台上,单击“主控窗口” 。 b. 选中“主控窗口” ,单击“菜单组态”进入“菜单组态”窗口。 c. 单击工具条中的“新增菜单项”图标 ,会产生“操作 0”菜单,如图 4.24 所示。 d. 双击“操作 0”菜单,弹出“菜单属性设置”窗口,如图 4.25、4.26 所示。 进行如下设置:在“菜单属性”页中,将菜单名改为:报警数据;在“菜单操作” 页中,选中“执行运行策略块” ,并从下拉式菜单中选取“报警数据” 。 e. 单击“确定”按钮,设置完毕。 f. 进入运行环境, 看到菜单项除了原来的 “系统管理” 又增加了一个 , “报警” 数据”项。单击菜单“报警数据” ,弹出历史报警数据窗口。 g. 单击“退出”按钮,回到水位监控画面。

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图 4.24 “操作 0”采单

图 4.25 采单属性设置

图 4.26 采单操作设置

4.5.5 报警极限值的修改
在“实时数据库”中,对“H1” 、H2 的上、下限报警值都是已定义好的。如果 用户想在运行环境下根据实际需要随时改变报警上、 下值, 又如何实现?在 MCGS 组态软件中,为您提供了大量的函数,可以根据您的需要灵活地运用操作步骤包 括以下几个部分:设置数据对象、制作交互界面、编写控制流程。 (1) 数据对象。在“实时数据库”中,增加 4 个变量,分别为:H1 上限、H1 下限、H2 上限、H2 下限,参数设置如下: a. 在“基本属性”页中对象名称分别为:H1 上限、H1 下限、H2 上限、H2 下限,类型为数值型。对象内容注释分别为:水罐 1 的上限报警值、水 罐 1 的下限报警值、水罐 2 的上限报警值、水罐 2 的下限报警值。 b. 在“存盘属性”页中,选中“退出时,自动保存数据对象当前值为”初 始值” 。 (2) 制作交互界面。 下面通过对 4 个输入框的设置, 实现拥护与数据库的交互。 需要用到的构件包括 4 个标签:用于标注:4 个输入框:用于输入修改值。 最终效果如图 4.27 所示。具体制作步骤如下:

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图 4.27 输入框的制作 a. 在“水位控制”窗口中,利用文字构件,按照 4.27 所示制作 4 个文字标 签。 b. 选中“工具箱”中的“输入框”构件 ab1,拖动鼠标,绘制 4 个输入框。 c. 双击图象‘输入框’ ,进行属性设置。这里只需设置操作属性即可。4 个 输入框具体设置如下,对象数据对象的名称分别为:液位 1、液位 2、上 限值、下限值;最小值,最大值见表 4.2 d. 对象 最小值 最大值 H1 上限 5 10 H1 下限 0 5 H2 上限 4 6 H2 下限 0 2 表 4.2 e. 将 4 个标签和输入框绘制在一个平面区域。 ? 单击工具箱的“常用符号“构件,弹出常用图符窗口。 ? 单击“凹面平面”图标,移动鼠标,光标呈“十”字形,画矩形将 4 个 标签和输入框框中外里面。 ? 如果平面遮住了标签和输入框,选中该平面,单击工具条中的“置于最 后面”图标即可。 (3) 编写控制流程。进入“运行策略”窗口,双击“循环策略” ,双击“脚 本程序” ,进入编辑环境,在脚本程序中增加以下语句: !SetAImValue (H1,H1 上限,3); !SetAImValue (H1,H1 上限,2); !SetAImValue (H2,H2 上限,3); !SetAImValue (H2,H2 上限,2); 函数!!SetAImValue ()的功能是设置数据对象的报警极限值,他有 3 个 参数。第 3 个参数表示设置哪个极限参数,具体为: =1 下下限报警值; 下限报警值; 上限报警值; 上上限报警值; 下 =2 =3 =4 =5 偏差报警限值;=6 上偏差报警限值;=7 偏差报警基准值。 第 2 个参数表示将极限值设置给哪个变量。 1 个参数代表对哪个变量的极 第 限值进行设置。例如!!SetAImValue (H1,H1 上限,3)意思是设置液位 1 的 上限报警值=液位 1 上限。如果您对函数!!SetAImValue()还不太了解,可按 F1 查看“在线帮助” 。 (3) 运行观察: a. 存盘并进如运行环境,在 4 个输入框输入极限值后,按回车键。
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b. 利用滑动块或水泵及阀门改变液位大小,观察报警窗口的变化。

4.5.6.报警提示
为了更直接地对报警进行提示,可在水位监控画面中加入报警指示灯进行报 警提示。具体为: (1) 进入水位监控画面。利用工具箱中的插入元件—指示灯—报警器 1,在 水罐 1 旁 画一个小报警灯(参考如图 4.17 所示的监控画面) ,注意调整其他位 置和大小。 (2) 双击报警灯,弹出“属性设置”窗口。单击“动画连接”选项卡,进入 该项。 (3) 单击文字“组合图符” ,右侧出现图标“>” 。 (4) 单击“>”按钮,弹出“动画组态属性设置”窗口。 (5) 单击“属性设置”选项卡,进入该项,选择“可见度”和“闪烁效果” 。 (6) 进入“可见度”设置页,设置页,设置表达式:H1>=H1 上限 OR H1<=H1 下限:表达式非零时对应图符见。 (7) 进入“可见度”设置页,设置表达式:H1>=H1 上限 OR H1<=H1 下限; 闪烁实现方式:用图元可见度变化实现闪烁;闪烁速度:快。 (8) 复制该报警灯到水罐 2 旁。双击该灯进行属性设置;将可见度和闪烁效 果表达式改为:H2>=H2 上限 OR H2<=H2 下限。 (9) 存盘后进行运行环境观察效果。

4.6 曲线显示
对生产过程重要参数进行曲线记录有两个好处:一是评价过去的生产情况,二 是预测以后的生产过程,因此曲线显示在工控系统中是一个非常重要的部分。 曲线显示有实时曲线显示和历史曲线显示。

4.6.1 实时曲线
实时曲线可象笔绘记录仪一样以曲线形式实时显示一个或多个数据对象数值 的变化情况。如图 4.28 所示。

图 4.28 实时曲线

4.6.2 历史曲线
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历史曲线主要用于事后看数据和状态、分析变化趋势和总结规律。如图 4.29 所示。

图 4.29

历史曲线

4.7 PLC 控制程序
4.7.1 储液罐监控系统 I/O 分配表 序号 1 名称 H1 功能 罐 1 水位检测 CPU224XP AIW0 H1=10m 时,输入 20mA(5V) 水位变送器 H1=0m 时, 输入 4mA (1V) , 2 3 4 H2 水泵 罐 2 进水阀 通断控制 出水阀 5 罐 2 出水阀 通断控制 Q0.2 =0,断开;=1,接通 罐 2 水位检测 水泵通断控制 进水阀 Q0.1 =0,断开;=1,接通 AIW2 H1=7m 时,输入 20mA(5V) Q0.0 =0,断开;=1,接通 特征 水位变送器 H1=0m 时, 输入 4mA (1V) ,

4.7.2 储液罐监控系统接线图

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图 4.30

储液罐监控系统接线图

4.7.3 S7-200PLC 程序

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4.7.4 S7-200 PLC 控制程序的调试
在进行硬件连接前,可利用仿真软件或按钮指示等简单硬件设备进行 PLC 程序调试。启动按钮、H1 上限等变量可在 STEP7-Micro WIN 调试环境下通过强 制方法直接赋值给 PLC。

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第五章

程序调试运行

5.1 模拟调试
(1)进入运行环境。 (2)拖动滑动块的指针,改变液位大小,观察水泵、调节阀和出水阀是否能根 据液位变化要求按设计要求动作。 (3)不做任何人工操作,观察系统能否自动将液位控制在规定的范围。如果效 果不理想,需要找原因,重新修改控制程序直到满意。

5.2 在线调试
(1)连接对象、接口卡和计算机,上电。 (2)进入组态环境,打开循环策略脚本程序,将液位模拟程序的每行前加的注 释去掉。这样做的原因是计算机与实际对象连接后,采入了实际液位信号,不再 需要进行液位模拟了。 (3)重新进入运行环境,不进行任何人工操作,观察自动控制效果。由于实际 对象特性和模拟特性往往有差异,实际控制效果可能和模拟调试效果不一致,效 果不理想,需要再次对控制算法进行改进,直至满意。

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总结
基于 MCGS 组态软件开发水位控制系统的设计本文的重点电路包括信号输入 电路,计算机对对象的控制连接电路,及各元件的连接。组态软件开发水位控制 系统的设计包括变量的定义,画面的设计,报警显示,曲线显示,控制程序的编 写,安全机制等。 组态是现在社会各界在关注的一个热门领域, 这次我做出的用组态软件对双 储液罐水位控制只是在这个方向上面的一点小小的探索, 在这次设计任务中遇到 了很多新的问题,也经过自己的思考和老师的指导,解决了一些问题,但是受时 间和自己的专业知识水平所限,还有很多问题没有解决,所以,这次毕业设计任 务的完成并不是对于这个课题的终止,我会在以后的学习中继续,争取能够解决 这些没有实现的问题,务必将这次设计的结果作的最好。 这次的工程实训让我重新整理了这三年来所学到的知识。通过这三年的学 习,让我学到了很多专业知识,也让我认识到电气行业知识的深奥,在结合所学 知识和前人的设计经验及老师的指导,我想我是很难单独完成整个实训的。所以 通过这三个月的学习让我增强了自信,丰富了经验,巩固了学习及提高了动手能 力。也因此锻炼了自己在社会上的适应能力,为自己以后在社会上的工作打下了 结实的基础。

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参考文献
1.袁秀英 《组态控制技术》 电子工业出版社 2007 2.杨宁 黄元峰 《微机控制技术》 第二版 高等教育出版社 2005 3.周乐挺 《传感器与检测技术》 高等教育出版社 2005 4 张李冬 《过程控制技术及其应用》 机械工业出版社 2004 5.龙志文 《电力电子技术》 机械工业出版社 2006 6.孙德辉 杨宁 《微型计算机控制技术》 冶金工业出版社 1998 7.于海生等 《微型计算机控制技术与系统》 清华大学出版社 1999 8.林敏,薛红 《计算机控制技术与系统》 中国轻工业出版社 1999

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本论文是在学校**老师的指导下完成的。在做论文的过程中*老师严谨的治 学态度和一丝不苟的工作精神给了我深刻的启发,也给了我很大的触动。另外, 老师经常给我讲解不懂的地方,教我怎么入手,还教给了我怎样查找许多有利的 资料,使我能尽快的完成论文。还要感谢系里其它的老师的指导,给了我很大的 帮助。在此,对老师在工作和生活中给予的指导和关心致以最真诚的谢意。 同时在这里还要感谢自动化系给予我们的关心和帮助, 感谢机房老师给予我 们上机实验方便。 感谢系里其它的一些同学在实训中提供大量的支持和帮助。 我们即将毕业,在此,再一次向三年中在学习和生活中给予过我帮助的老师 和同学致谢。

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